(57)【要約】【課題】  風車の過回転を防止する。【解決手段】  ロータ６のブレード６ｂに固定されたリングギア８に噛み合うピニオン１０を電動機１６が駆動する。ピニオン１０と電動機１６との間にクラッチ１４が設けられ、ロータ６の回転が過回転となる状態を過回転判断器２２が判断し、クラッチ１４を切断する。【選択図】        図１
2007291976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車のブレードに固定されたリングギアに噛み合うピニオンと、このピニオンを駆動させる回転型駆動源とを、備えた風車のピッチ駆動装置において、
前記ピニオンと前記駆動源との間にクラッチを設け、
前記風車の回転が過回転となる状態を判断し、信号を発信する過回転判断器を備え、
この過回転判断器からの信号を受けて、前記クラッチが切断状態になることを特徴とする
風車のピッチ駆動装置。
【請求項２】
請求項１記載の風車のピッチ駆動装置において、
前記駆動源の回転を検出する回転検出器を設け、
前記風車の過回転となる状態が回避されると、前記クラッチが接続状態になり、前記回転検出器の信号に基づくブレードピッチ角の値をフェザーリング位置の角度に変更することを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【請求項３】
風車のブレードのピッチ角を変更する駆動源を備えた風車のピッチ駆動装置において、
前記風車の回転数が過回転となる状態を判断し、信号を発信する過回転判断器を備え、
この過回転判断器からの信号を受けて、前記駆動源の駆動力が低下若しくは消失させられることを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【請求項４】
請求項３記載の風車のピッチ駆動装置において、
前記風車の回転数が過回転となる状態が回避された後に、前記ブレードのピッチ角の変更速度を規制することを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【請求項５】
請求項３または４記載の風車のピッチ駆動装置において、
前記風車の回転数が過回転となる状態のときに、前記ブレードのフラット側への移動を規制する力を前記駆動源が出力することを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【請求項６】
請求項３乃至５いずれか記載の風車のピッチ駆動装置において、
前記駆動源の駆動力を低下若しくは消失させたときに、前記駆動源が前記ブレードのフェザーリング側への移動速度を規制することを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【請求項７】
請求項３乃至６いずれか記載の風車のピッチ駆動装置において、
前記駆動源の駆動力を低下若しくは消失させたとき、前記ブレードのフェザーリング側への移動速度が所定値以下であると、前記ブレードをフェザーリング方向へ移動させる力を駆動源が出力することを特徴とする風車のピッチ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車におけるブレードのピッチを変更するピッチ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
風車、例えば水平軸型風車のロータでは、水平に配置された回転軸に結合されたハブから回転軸に対して放射状にブレードが伸びている。風力発電機では、ロータの回転軸に増速機を介して発電機が結合されている。この風車に突風が吹いた場合、ロータの回転数が上がり、発電機及び増速機が破損するおそれがある。この点の解決策として、特許文献１に開示されている技術がある。
【０００３】
特許文献１の技術では、各ブレードはピッチ駆動装置によって個別にピッチ角を変更することができるように構成され、突風が吹いたとき、全てのブレードは、ピッチ駆動装置によって、フェザーリング位置に移動させられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１の技術では、ピッチ駆動装置によってブレードを瞬時に駆動しようとしても、慣性等の影響を受けてブレードの駆動が瞬時に行えないことがある。このようにブレードの駆動が遅いと、ロータの回転が上がりすぎ、発電機や増速機の損傷を防止することができない。また、ピッチ駆動装置によって、そのときに必要とされる以上にブレードをフェザーリングすると、ブレードに今までとは逆回転方向の揚力が発生し、ロータの回転数が低下し、発電効率が低下する。
【０００６】
本発明は、風車の過回転を防止することができるピッチ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による風車のピッチ駆動装置は、風車のブレードに固定されたリングギアに噛み合うピニオンと、このピニオンを駆動させる回転型駆動源とを、備えている。この風車のピッチ駆動装置は、ブレードごとに設けられている。回転型駆動源としては、例えば電動機を使用することができる。前記ピニオンと前記駆動源との間にクラッチが設けられている。このクラッチは、ピニオンと駆動源とを接続した接続状態と、両者を切断した切断状態とのうち、選択されたものに切り換えられ、通常には接続状態にある。過回転判断器が設けられている。この過回転判断器は、前記風車の回転が過回転となる状態を判断し、例えば信号を発信する。過回転であるか否かは、例えばロータの回転数や風速を基に決定される。この過回転判断器からの信号を受けて、前記クラッチが切断状態にされる。なお、この風車のロータの回転軸は、増速機を介して発電機に接続されている。
【０００８】
このように構成されたピッチ駆動装置では、風車の回転数が過回転になる状態になったときに、過回転判断器が信号を発生し、クラッチが瞬時に切断され、ブレードがフリーの状態になる。この結果、ブレードは、風の揚力によってフェザーリング方向に素早く自動的に移動する。これによって、ロータを回転させる揚力が低下し、ロータの過回転を防止することができ、発電機や増速機が破損されることを防止できる。
【０００９】
前記駆動源の回転を検出する回転検出器を設けることができる。この回転検出器は、駆動源に備えられることもあり、ブレードのピッチ角を検出している。前記風車が過回転となる状態が回避されると、風車の回転数が減少し、その結果、前記信号が消失し、前記クラッチが接続状態に復帰する。この後、回転検出器の信号を用いてブレードのピッチが制御されるが、クラッチが切断された後に、ブレードがフェザーリング位置側に移動したことにより、前記回転検出器の信号に基づくブレードピッチ角の値と、フェザーリング位置の角度とは不一致になっている。そこで、前記回転検出器の信号に基づくブレードのピッチ角の値を、フェザーリング位置の角度に変更し、回転検出器の信号を用いてブレードのピッチ角を制御する。なお、ブレードのフェザーリング位置の角度を検出するために、ブレードにピッチ角度検出器を設けることができる。ピッチ角度検出器を設けることにより、ブレードを原点位置（例えばフェザーリング位置）に戻してピッチ角をリセットする原点復帰動作をすることなく、連続的に運転することができる。
【００１０】
本発明の他の態様の風車のピッチ駆動装置は、風車のブレードのピッチ角を変更する駆動源を備えている。駆動源は、上述した態様のようにピニオンと回転型駆動源を使用することもできるし、或いは、ブレードに直接に回転型駆動源を結合し、回転型駆動源によってブレードを回転させることもできる。過回転判断器が、前記風車の回転数が過回転となる状態を判断し、信号を発信する。この判断は、風速やロータの回転数を検出し、この検出結果を用いて行うことができる。この過回転判断器からの信号を受けて、前記駆動源の駆動力が低下若しくは消失させられる。過回転判断器からの信号が供給される制御部が、駆動源の駆動力を低下または消失させるように駆動源を制御することができる。なお、風車は、増速機を介して発電機に接続されている。
【００１１】
このように構成すると、例えば突風が吹いて風車が過回転となる状態になったとき、駆動源の駆動力が低下若しくは消失させられる。従って、ブレードは、風の揚力によってフェザーリング方向に自動的に移動する。その結果、風車を回転させる揚力が減少し、風車の過回転が防止でき、発電機や減速の損傷を防止できる。また駆動源とブレードとの間に設けたクラッチを切断したり接続したりして発電機等の損傷を防止する場合には、駆動源にブレードを接続する際にショックが発生するが、この態様では、駆動源とブレードとの結合は常に維持されているので、ショックが発生することはない。また、駆動源に回転検出器を設け、この回転検出器の信号に基づいて検出したピッチ角度が、ピッチ指令信号に基づいて指令されたピッチ角に一致するように制御している場合、駆動源とブレードとの結合は常に維持されているので、回転検出器の信号は、実際のピッチ角からずれることが無い。従って、ブレードを一旦、基準位置、例えばフェザーリング位置に戻す必要がない。更に、必要以上にブレードをフェザーリング側に駆動することがないので、風車の回転数を必要以上に低下させることがなく、発電効率の極端な低下を招くことがない。
【００１２】
このピッチ駆動装置は、前記風車の回転数が過回転となる状態が回避された後に、前記ブレードのピッチ角の変更速度を規制することもできる。例えば、過回転状態が回避された後、ブレードが元の位置に復帰される。このとき、ブレードのピッチ角の変更速度が規制されるので、ブレードの急激なピッチ角の変更やブレードの急激な反転が抑制され、ブレードの破損を防止することができる。なお、この規制は、例えば駆動源が電動機の場合、この電動機に流される電流を規制することによって行うことができるし、或いはブレードの位置の制御に使用する初期位置を、ブレードがフェザーリング側に最も回転していた位置とすることによって行える。
【００１３】
また、このピッチ駆動装置では、前記風車の回転数が過回転となる状態のときに、前記ブレードのフラット側への移動を規制する力を前記駆動源が出力することができる。例えば駆動源が電動機の場合、フラット側への移動をロックしたり、フラット側に移動する際に電動機に流れる電流を予め定めた電流以下に制限する。断続的に突風が吹いたとき、突風と突風との間にブレードが一旦フラット側に戻る力を受けることがある。このような力を受けていても、駆動源がフラット側への移動を規制する力を出力するので、フラット側へのブレードの移動を規制でき、断続的な突風が吹いてもブレードのピッチ角が揺動することを防止できる。また、後に吹いた突風によってブレードに生じる衝撃を緩和することができる。
【００１４】
また、このピッチ駆動装置では、前記駆動源の駆動力を低下若しくは消失させたときに、前記駆動源が前記ブレードのフェザーリング側への移動速度を規制することもできる。このように構成すると、突風によりブレードが急激にフェザーリング側に移動されることを防止できるので、ブレードの破損を防止することができる。
【００１５】
このピッチ駆動装置では、前記駆動源の駆動力を低下若しくは消失させたときに、前記ブレードのフェザーリング側への移動速度が所定値以下であると、前記ブレードをフェザーリング方向へ移動させる力を駆動源が出力することができる。このように構成すると、一旦風速が弱まった後でも、ブレードはフェザーリング側に移動を継続しているので、再び突風が吹いても、ロータに加わる衝撃を緩和することができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のように、本発明によれば、クラッチを切断することや駆動源の出力を制御することによって、風車の過回転を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の第１の実施形態の風車のピッチ駆動装置は、図２に示すような風車の設けられている。この風車は、水平軸風車で、タワー２の上端部にほぼ水平に配置されたナセル４を有している。ナセル４は、タワー２の長さ方向の軸回りに回転自在に設けられている。このナセル４の一端部に風車のロータ６が設けられている。ロータ６は、ハブ６ａと、このハブ６ａから放射状に伸びた複数、例えば３枚のブレード６ｂを有している。このハブ６ａは水平に配置された回転軸（図示せず）を有し、これは、ナセル４内において増速機（図示せず）を介して発電機（図示せず）に接続されている。
【００１８】
各ブレード６ｂは、図２に点線で示すタワー２の長さ方向に沿う軸の回りに回転自在に設けられ、ハブ６ａの前方からの風に対してブレードの面がほぼ垂直に位置するフラット位置と、ブレードの面がハブ６ａの前方からの風に対してほぼ平行に位置するフェザーリング位置との間で回転する。即ち、ピッチ駆動される。
【００１９】
そのため、このピッチ駆動装置では、図３に示すように各ブレード６ｂのハブ６ａとの接合部の周面に、リングギア８がそれぞれ設けられている。これらリングギア８とそれぞれ噛み合うようにピニオン１０が、例えばバブ６ａ内に設けられている。これらピニオン１０を正転または逆転させることによってブレード６ｂが上述したタワー２の長さ方向に沿う軸の回りに回転する。
【００２０】
図１に示すように、ピニオン１０は、減速機１２を介してクラッチ、例えば無励磁式電磁クラッチ１４に結合され、このクラッチ１４は、回転型駆動源、例えば電動機１６に結合されている。クラッチ１４は、減速機１２と電動機１６とを接続状態または切断状態にするもので、接続状態において、電動機１６が回転すると、クラッチ１４を介して電動機１６の駆動力が減速機１２に伝達され、ピニオン１０が回転し、ブレード６ｂが回転する。クラッチ１４は、通常には接続状態にある。
【００２１】
電動機１６には、回転検出器、例えばエンコーダ１８が設けられ、電動機１６の回転数、ひいてはブレード６ｂの基準位置からの、例えばフラット位置またはフェザーリング位置からのピッチ角度を検出している。この検出されたピッチ角度を表すピッチ角度信号は、制御部２０に供給されている。制御部２０には、外部からピッチ位置指令が供給され、このピッチ位置指令が示すピッチ角度にブレードのピッチ角がなるように、制御部２０が電動機１６を制御する。
【００２２】
上述したようにクラッチ１４は、通常状態では減速機１２と電動機１６とを接続して、過回転判断器２２から信号が供給されると、クラッチ１４は、減速機１２と電動機１６とを切断する。過回転判断器２２は、ロータ６が過回転、例えば定格回転以上の回転を行っているときに、信号を発生する。このような過回転は、例えば突風が発生したときに生じる。過回転判断器２２が上記信号を発生するために、過回転判断器２２にはロータ６の回転数を検出している回転数検出器（図示せず）からのロータ回転数検出信号が供給されており、これが定格回転数に対応する基準信号を超えたとき、上記信号がクラッチ１４に供給される。
【００２３】
これによって、クラッチ１４が減速機１２と電動機１６とを切断する。その結果、ブレード６ｂはフリーの状態になり、瞬時にフェザーリング位置の方へ自転する。これによって、ロータ６を回転させる揚力が低下し、ロータ６の回転数が定格入力以下になる。これによって、ロータ６の過回転を防止することができる。
【００２４】
なお、ロータ６の回転数が定格入力以下になると、過回転判断器２２からの信号が消失し、クラッチ１４が減速機１２と電動機１６とを再び接続する。この後、制御部２０に供給されているピッチ指令信号に対応するピッチ角をブレード６ｂがなすように制御部２０が電動機１６を制御する。但し、クラッチ１４が減速機１２と電動機１６とを切断している間に、ブレード６ｂがフェザーリング側に回転している間に、電動機１６はブレード６ｂの回転に追従して回転していない。従って、エンコーダ１８からのピッチ角度信号は、実際のピッチ角度に対応していないので、このピッチ角度信号を用いて電動機１６を制御しても、ピッチ位置指令が示すピッチ角度にブレード６ｂを制御することができない。そこで、ブレード６ｂ側、例えばリングギア４にピッチ角度検出器２４が設けられている。このピッチ角度検出器２４が発生するピッチ角度検出信号は、フェザーリング位置側に回転しているブレード６ｂの実際のピッチ角度を表している。そこで、このピッチ角度検出信号が制御部２０に供給され、エンコーダ１８からのピッチ角度信号が、ピッチ角度検出信号に一致させられる。一致させられたピッチ角度信号に基づいて電動機１６の制御が行われる。これによって、クラッチ１４が切断され、その後に再度接続されても、ブレード６ｂのピッチ角の制御を正確に行うことができる。
【００２５】
なお、上記の実施形態では、過回転判断器２２は、ロータ６の回転数を基に過回転か判断したが、これに限ったものではなく、例えばナセル４等に設けた風速計によって測定した風速を表す風速信号が予め定めた過回転に対応する風速を表す基準信号以上になったときに過回転と判断して、信号をクラッチ１４に供給するように構成することもできる。或いは、ブレード６ｂに発生する揚力を測定する揚力測定器が発生する揚力測定信号を過回転判断器２２に供給し、この揚力測定信号が、過回転に対応する揚力を表す基準信号以上になったときに、過回転と判断して、信号をクラッチ１４に供給するように構成することもできる。
【００２６】
本発明の第２の実施形態のピッチ駆動装置を図４に示す。このピッチ駆動装置も、第１の実施形態と同様に、ハブ６ａ及びブレード６ｂを備えたロータ６と、リングギア８と、これに噛み合うピニオン１０と、ピニオン１０に減速機１２を介して接続された電動機１６とを有している。
【００２７】
電動機１６の回転によってブレード６ｂのピッチが変更される。このピッチの変更は、外部から与えられるピッチ位置指令に基づいて行われる。このピッチ位置指令は選択手段、例えば切換スイッチ３０を介して位置制御器３２に供給され、電動機１６を回転させる方向と角度とが決定され、さらに速度制御器３４において回転させる速度が決定され、これらに基づいて供給される電流が電流制御器３６において決定され、電動機１６に供給される。
【００２８】
このピッチ駆動装置には、更に過回転防止制御器３８も有している。過回転防止制御器３８には、風速測定器（図示せず）で測定した風車が受けている風の速度を表す風速信号と、回転検出器（図示せず）で測定したロータ６の回転速度を表すロータ速度信号と、ロータ６の位相を測定する位相測定器（図示せず）からのロータ位相信号とが、入力されている。また、電動機１６に設けたエンコーダ１８からのブレード６ｂのピッチ角度信号も過回転防止制御器３８に供給されている。
【００２９】
過回転防止制御器３８は、風速信号またはピッチ角度信号を基に、過回転が生じる程の突風がロータ６に吹いているか否かを。例えば基準信号と比較することによって判断し、突風が吹いていると判断したときには、電流制御器３６に指令を送り、電動機１６に供給される電流を零にまたはブレード６ｂをフリー状態とする値に制限するように、電流制御器３６を制御する。これによって、突風が吹いていることにより、ブレード６ｂがフェザーリング位置の方向に自転し、ブレード６ｂは揚力を失い、ロータ６の過回転が防止される。
【００３０】
また、突風が収まると、電流制限が解除され、再び位置指令に従ってブレード６ｂのピッチ角度の変更が行われるが、その前に切換スイッチ３０がエンコーダ１８からのピッチ角度信号を位置制御器３２に供給するように切り換えられる。これによって位置制御器３２は、現在のピッチ角度信号を初期値と設定する。その後、切換スイッチ３０は、位置制御器３２にピッチ位置指令が供給されるように切り換えられる。これによって、突風が収まったときのブレード６ｂの位置を初期位置としてブレード６ｂの制御が行われる。従って、ブレード６ｂがフラット側の元の初期位置側に反転することはなく、ブレード６ｂの破損を防止することができる。
【００３１】
また、各ブレード６ｂに働く力は、揚力による回転力と、ロータ６の回転によるブレード自身の慣性力や自重とがある。これら力は、必ずしも風速と比例していない。従って、電動機１６による推力を零またはブレード６ｂをフリー状態にしていると、ブレード６ｂが自重や慣性力によってフラット位置側に回転する可能性がある。これは、ブレード６ｂの重心がその回転中心にない場合があり、そのときのロータ位相によってはブレード６ｂをフラット側に回転させるようにブレード６ｂの自重が作用したり、上述したようにブレード６ｂの重心が回転中心にないときに、ロータ６の回転速度が落ちると、ブレード６ｂの慣性力がフラット側に作用することがあるからである。いずれの場合でも、風による揚力よりもフラット側にブレード６ｂを回転させる力が大きくなることが予想される。このような場合、ロータ６の回転数の低減が遅くなる。
【００３２】
そこで、過回転防止制御器３８では、ロータ６の回転数信号及びロータ位相信号から、ブレード６ｂに働く力が、フェザーリング方向側回転方向かフラット側回転方向か判断し、フェザーリング方向側であれば、上述したように電動機１６の推力を零またはフリーになる状態とし、フラット方向側であれば、電動機１６の回転をロックするように電流制御器３６を制御している。このような状況は、突風が断続的に吹く場合に生じやすい。なお、ロータ６の速度やロータ位相からブレード６ｂの回転方向を判断する代わりに、電動機１６の推力が零またはフリーの状態のときに、ブレード６ｂがフラット方向に移動しことが、例えばエンコーダ１８のピッチ角度信号から検出されたとき、ブレード６ｂをフラット方向にロックするように構成することもできる。
【００３３】
また、電動機１６の推力を零またはフリーの状態としているが、ブレード６ｂのフェザーリング方向への回転時の速度が予め定めた値を超えないように、フェザーリング方向へブレード６ｂが風によって回転している際に、電動機１６に流れる電流を制限するように電流制御器３６を過回転防止制御器３８が制御している。これによって、ブレード６ｂの急速なフェザーリング方向への回転を規制することができ、ブレード６ｂ等の破損を防止することができる。
【００３４】
また、電動機１６の推力を零またはフリー状態にしてフェザーリング方向にブレード６ｂが回転している際に、その移動速度が予め定めた速度よりも遅いことが、電流制御器３６から過回転防止制御器３８に供給されているトルク情報（電動機１６の発生トルクを表す）から過回転防止制御器３８が判断した場合、過回転防止制御器３８は、切換スイッチ３０を切り換えて、過回転防止制御器３８から位置制御器３２にトルクがバランスするように信号を送る。これによって、ブレード６ｂは電動機１６によってフェザーリング側に回転させられ、フェザーリング側への動作遅れを最小に抑えることができる。また、突風が吹いてブレード６ｂがフェザーリング方向に移動している際に、その風が弱まった後に短時間で再び突風が吹いても、ブレード６ｂが最初の突風の際に充分にフェザーリング側に移動しているので、２回目以降の突風によるブレード６ｂへの衝撃を緩和することができる。なお、電流制御器３６からのトルク情報から、ブレード６ｂのフェザーリング方向への速度不足を検出したが、エンコーダ１８からの信号に基づいてブレード６ｂのフェザーリング方向へのブレード６ｂの速度を検出することもできる。
【００３５】
上記の両実施形態では、エンコーダ１８を電動機１６に設けてブレード６ｂのピッチ角度を検出したが、これに限ったものではなく、例えばブレード６ｂの回転を直接に検出するように構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態のピッチ制御装置のブロック図である。
【図２】図１のピッチ制御装置が実施される風車の側面図である。
【図３】図２の風車におけるブレードのピッチを変更する構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態のピッチ制御装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００３７】
６  ブレード
６ｂ  ブレード
８  リングギア
１０  ピニオン
２２  過回転判断器２２
３８  過回転防止制御器（過回転判断器）
【図１】
2007291976.tif 000003
【図２】
2007291976.tif 000004
【図３】
2007291976.tif 000005
【図４】
2007291976.tif 000006